加氫反應(yīng)器人孔接管堆焊層裂紋成因分析與處理

姚碩，盧俊文，湛立寧，王肖逸，陳敏，周璐璐

（河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)研究院唐山分院，河北 唐山 063000）

加氫操作是降低原油中氯、硫、氮等有害雜質(zhì)含量，提高成品油質(zhì)量的關(guān)鍵工藝，而加氫反應(yīng)器是加氫工藝的關(guān)鍵設(shè)備[1]。加氫反應(yīng)器在高溫、高壓且臨氫環(huán)境下運(yùn)行，盛裝介質(zhì)中含有H、H2S和HCl等強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)，對(duì)制造材料的耐蝕性能要求較高；同時(shí)還要滿足強(qiáng)度要求。通常采用復(fù)合材料或者采用滿足強(qiáng)度要求的低合金鋼作為基材，在基材表面堆焊耐蝕性材料的方法，奧氏體焊材E309L+E347L 是常見(jiàn)的堆焊材料。但是由于堆焊方法不同、堆焊質(zhì)量的參差不齊，加之設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的不穩(wěn)定，因此時(shí)常會(huì)在堆焊層表面產(chǎn)生裂紋，若不及時(shí)修復(fù)，盛裝介質(zhì)會(huì)對(duì)基材產(chǎn)生腐蝕破壞[2]。為防止堆焊層產(chǎn)生裂紋或者降低產(chǎn)生裂紋的可能性，并采取合理處理措施，是煉化行業(yè)科技人員不斷研究的課題[3]。

以壓力容器定期檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的反應(yīng)器人孔接管堆焊層開(kāi)裂案例，分析堆焊層開(kāi)裂原因并采取有效的處理措施，以使設(shè)備投入正常運(yùn)行后，定期檢驗(yàn)中不再出現(xiàn)裂紋缺陷。

1 設(shè)備概況

某煉化公司的1臺(tái)加氫反應(yīng)器，2017年2月投入使用，2020年4月首次定期檢驗(yàn)。反應(yīng)器殼體材質(zhì)為2.25Cr1MoV，殼體表面雙層堆焊不銹鋼，過(guò)渡層采用E309L 堆焊，表面耐蝕層采用E347L 堆焊，雙層堆焊厚度為5 mm，其中表面耐蝕層厚度不小于2 mm。殼體母材厚度為89 mm，筒體外徑3.3 m，長(zhǎng)度17.51 m，人孔接管直徑φ 450 mm。加氫反應(yīng)器技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 加氫反應(yīng)器技術(shù)參數(shù)Tab 1 Technical parameters of hydrogenation reactor

在對(duì)該臺(tái)設(shè)備定期檢驗(yàn)中，滲透檢測(cè)人孔接管內(nèi)表面堆焊層時(shí)發(fā)現(xiàn)表面裂紋，位于人孔接管與長(zhǎng)頸法蘭連接的環(huán)焊縫處，滲透檢測(cè)裂紋形貌如圖1所示。

圖1 滲透檢測(cè)裂紋形貌Fig 1 Penetration detection of crack morphology

為進(jìn)一步檢查裂紋狀況，使用無(wú)鐵基砂輪對(duì)裂紋表面輕度打磨，然后用10 倍放大鏡檢查，裂紋宏觀形貌如圖2所示。

圖2 裂紋宏觀形貌Fig 2 Macro morphology of cracks

同時(shí)在人孔接管外表面進(jìn)行UT檢測(cè)，接管母材及環(huán)焊縫未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷，查閱運(yùn)行記錄，有1次短暫超溫操作。

2 檢驗(yàn)項(xiàng)目

2.1 化學(xué)成分分析

采用射線光譜分析儀、碳硫分析儀對(duì)堆焊層的表層（耐蝕層）E347L、過(guò)渡層E309L進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，裂紋部位堆焊層化學(xué)成分如表2所示。

表2 裂紋部位堆焊層化學(xué)成分Tab 2 Chemical composition of weld overlay at crack location

從表2 可以看出，堆焊層化學(xué)成分符合GB/T 983－2012標(biāo)準(zhǔn)對(duì)E347L、E309L焊材的要求[4]。

2.2 硬度檢測(cè)

對(duì)人孔接管內(nèi)表面堆焊層進(jìn)行硬度檢測(cè)，檢測(cè)位置如圖3所示。

圖3 硬度檢測(cè)位置Fig 3 Hardness Testing Location

檢測(cè)位置沿軸向分布3個(gè)檢測(cè)環(huán)帶，分別是長(zhǎng)頸法蘭環(huán)焊縫位置（C1）、人孔接管轉(zhuǎn)角位置（C2）、C1與C2的中間位置（C3），每個(gè)環(huán)帶沿周向分布4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，分別是面對(duì)法蘭的12點(diǎn)鐘、3點(diǎn)鐘、6點(diǎn)鐘、9點(diǎn)鐘位置。

采用便攜式HBX-0.5布氏硬度計(jì)，按圖3所示位置檢測(cè)硬度，人孔接管堆焊層硬度檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 人孔接管內(nèi)表面堆焊層布氏硬度Tab 3 Brinell hardness of surfacing layer on inner surface of manhole nozzle

從表3 可以看出，長(zhǎng)頸法蘭環(huán)焊縫位置（C1環(huán)帶）硬度高于其他2個(gè)檢測(cè)環(huán)帶，但滿足制造技術(shù)文件硬度小于245 HB的要求。

2.3 鐵素體檢測(cè)

奧氏體不銹鋼易產(chǎn)生焊接熱裂紋，其中鐵素體含量直接影響熱烈紋傾向，過(guò)低的鐵素體含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于3%）會(huì)加大熱裂紋傾向，同時(shí)降低耐蝕性能；過(guò)高的鐵素體含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于15%）易形成σ相轉(zhuǎn)變，在400～500 ℃溫度下長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，將導(dǎo)致堆焊層強(qiáng)性脆化[5]。奧氏體不銹鋼中含有適量鐵素體，可以形成奧氏體+δ鐵素體雙相組織，從而提高堆焊層的抗裂紋性能、耐蝕性能，臨氫條件下服役的設(shè)備，通常將鐵素體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在3%～8%[6]。

采用FMP30 鐵素體檢測(cè)儀，檢測(cè)人孔接管堆焊層鐵素體含量，無(wú)裂紋區(qū)域的鐵素體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.78%～7.05%，檢測(cè)結(jié)果在正常范圍內(nèi)；裂紋區(qū)域鐵素體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.93%～2.35%，含量低于正常范圍。

2.4 金相分析

采用PTI6500型金相顯微鏡，分別在堆焊層裂紋部位和無(wú)裂紋區(qū)域進(jìn)行金相分析，無(wú)裂紋部位取點(diǎn)選在C2環(huán)帶處，其金相組織為奧氏體+δ鐵素體，無(wú)裂紋區(qū)域金相組織如圖4所示。

圖4 無(wú)裂紋區(qū)域金相組織Fig 4 Metallographic structure of crack-free area

由圖4 可以看出，裂紋區(qū)域堆焊層金相組織中，奧氏體溶解的δ鐵素體極少，與鐵素體檢測(cè)結(jié)果一致。

裂紋區(qū)域金相組織如圖5所示。

圖5 裂紋區(qū)域金相組織Fig 5 Metallographic Structure of Crack Area

由金相組織分析可知裂紋沿晶間擴(kuò)展。

3 堆焊層裂紋原因分析

3.1 氫聚積

堆焊層材料E309L+E347L 均為奧氏體組織，其中溶解的氫元素含量高于基材2.25Cr1MoV，而氫擴(kuò)散系數(shù)卻低于基材，尤其是停工狀況下，基材的氫擴(kuò)散速度遠(yuǎn)高于堆焊層，從而導(dǎo)致基材與堆焊層氫濃度差距加大，可使堆焊層氫含量高于母材10倍以上，在高溫下引起鐵素體σ相轉(zhuǎn)變，使其斷后伸長(zhǎng)率降至10%以下，與脆性材料5%的伸長(zhǎng)率較為接近，加大了堆焊層脆性開(kāi)裂的可能性[7]。

3.2 熱應(yīng)力

堆焊層E309L+E347L 導(dǎo)熱系數(shù)低于基材2.25Cr1MoV，而熱膨脹系數(shù)卻大于基材，在開(kāi)工的升溫操作時(shí)，導(dǎo)致堆焊層與基材之間產(chǎn)生較大膨脹差，設(shè)備運(yùn)行時(shí)操作溫度波動(dòng)也產(chǎn)生膨脹差，從而產(chǎn)生較大熱應(yīng)力[8]；在停車降溫操作時(shí)，基材降溫速度明顯高于堆焊層降溫速度，同樣會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。最終導(dǎo)致堆焊層應(yīng)力集中部位或有原始缺陷部位產(chǎn)生疲勞應(yīng)變，達(dá)到一定的開(kāi)停工次數(shù)，使堆焊層產(chǎn)生脆性裂紋。

3.3 綜合分析

綜合考慮設(shè)備運(yùn)行狀況，結(jié)合鐵素體檢測(cè)、化學(xué)成分分析、硬度檢測(cè)和金相分析結(jié)果，可以總結(jié)出堆焊層裂紋產(chǎn)生原因。人孔接管內(nèi)壁堆焊層為手工堆焊，檢驗(yàn)中其他埋弧帶級(jí)堆焊的部位均未見(jiàn)缺陷，而手工堆焊位置在人孔接管環(huán)焊縫處，堆焊工藝控制不嚴(yán)，產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，是堆焊層出現(xiàn)裂紋的初始原因。設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定，出現(xiàn)過(guò)短暫超溫現(xiàn)象，是產(chǎn)生裂紋的誘導(dǎo)因素，在堆焊層與基材之間產(chǎn)生了較大的熱應(yīng)力，使覆蓋環(huán)焊縫的堆焊層出現(xiàn)裂紋，在強(qiáng)腐蝕介質(zhì)H2S的作用下，使裂紋沿堆焊層晶間擴(kuò)展，最終形成2處彌散型裂紋。

通過(guò)鐵素體檢測(cè)和金相分析可知，裂紋區(qū)域的鐵素體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于3%，金相組織中奧氏體溶解的鐵素體極少，降低了堆焊層抵御裂紋的能力，σ鐵素體含量不足是導(dǎo)致不銹鋼堆焊層出現(xiàn)裂紋的根本原因。

4 返修措施

經(jīng)宏觀檢查和超射波檢測(cè)確認(rèn)，堆焊層表面裂紋在基材結(jié)合面終止，基材還沒(méi)有產(chǎn)生腐蝕缺陷，不會(huì)影響反應(yīng)器的強(qiáng)度承載能力。采用無(wú)鐵基砂輪打磨后，部分裂紋已消除，但是仍有部分裂紋淺層打磨后無(wú)法消除，一直沿過(guò)渡層擴(kuò)展道與母材結(jié)合面。為防止后續(xù)使用過(guò)程中，介質(zhì)對(duì)基材產(chǎn)生腐蝕，影響設(shè)備的正常使用，對(duì)堆焊層采取補(bǔ)焊措施。由于反應(yīng)器在臨氫條件下運(yùn)行，介質(zhì)氫已擴(kuò)散至堆焊層和基材，所以裂紋打磨后應(yīng)進(jìn)行消氫處理，采用繩式電加熱器對(duì)施焊部位預(yù)熱至250～300 ℃，在此溫度下恒溫4 h，使氫元素完全溢出才能保證返修質(zhì)量。

打磨深度應(yīng)深入到母材2～3 mm，經(jīng)滲透檢測(cè)確認(rèn)裂紋消除后，采用焊條電弧焊方法補(bǔ)焊，過(guò)渡層采用E309L、表層采用E347L焊條，直徑均為φ 3.2 mm，焊前在350～400 ℃下烘干1 h。過(guò)渡層焊前預(yù)熱至150 ℃，過(guò)渡層堆焊完成后進(jìn)行后熱，在250～300 ℃下保溫1 h，堆焊過(guò)程中應(yīng)控制層間溫度小于100 ℃，采取小電流、快速焊接的方式，盡量減少在高溫區(qū)停留時(shí)間[9]。焊接工藝參數(shù)如表4所示。

表4 焊接工藝參數(shù)Tab 4 Welding Process Parameters

按表4所列焊接工藝參數(shù)，對(duì)耐蝕層和過(guò)渡層進(jìn)行了補(bǔ)焊，補(bǔ)焊后的表面進(jìn)行打磨處理，然后進(jìn)行100% PT 和100% RT 檢測(cè)，按NB/T 47013－2015 標(biāo)準(zhǔn)，I 級(jí)合格后投入使用，3 年后定期檢驗(yàn)中沒(méi)有再出現(xiàn)裂紋缺陷[9]。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）加氫反應(yīng)器人孔接管堆焊層裂紋成因包括：手工焊接工藝控制不嚴(yán)，環(huán)焊縫表面堆焊層應(yīng)力集中沒(méi)有消除；奧氏體中鐵素體含量過(guò)低，導(dǎo)致耐腐蝕能力降低；堆焊層與基材導(dǎo)熱系數(shù)不同，在升降溫和超溫運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生較高熱應(yīng)力，導(dǎo)致堆焊層在應(yīng)力集中部位開(kāi)裂。

2）防止奧氏體不銹鋼堆焊層產(chǎn)生裂紋的措施有控制鐵素體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3%～8%，采取合理的焊接方法和熱處理方式，盡量減小焊接應(yīng)力；在使用過(guò)程中，盡量降低開(kāi)停車頻率及升溫、降溫速度，防止產(chǎn)生較高熱應(yīng)力。

3）堆焊層返修前應(yīng)進(jìn)行消氫處理，焊前預(yù)熱到150 ℃，采用小電流、快速焊的方式完成堆焊，過(guò)渡層焊接完畢后進(jìn)行后熱處理，焊前及耐蝕層堆焊完成后進(jìn)行100% PT 和100% RT 檢測(cè)，并確認(rèn)鐵素體含量是否在正常范圍內(nèi)。